土力学第二章.ppt

,*,第二章 土的渗透性和渗流问题,2.1,概述,2.2,土的渗透性,2.3,二维渗流与流网,2.4,渗透力与渗透变形,2.1,概述,2.1,概述,碎散性,多孔介质,三相体系,孔隙流体流动,渗流,水、气等在土体孔隙中流动的现象,渗透性,土具有被水、气等流体透过的性质,能量差,土颗粒,土中水,渗流,渗流量,渗透变形,土石坝,防渗斜墙及铺盖,浸润线,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流,2.1,概述,渗透力,水压力,渗流量,渗透变形,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流,2.1,概述,渗流量,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,2.1,概述,渗流量,原地下水位,渗流时地下水位,渠道渗流,2.1,概述,2.1,概述,渗流滑坡,渗流量,渗透变形,渗水压力,渗流滑坡,土的渗透性及渗透规律,二维渗流及流网,渗透力与渗透变形,扬压力,土坡稳定分析,挡水建筑物,集水建筑物,引水结构物,基坑等地下施工,多雨地区边坡,2.1,概述,2.2.1,土体的渗透定律,达西定律,2.2,土体的渗透性,1,、渗流中的总水头与水力坡降,总水头,单位重量水体所具有的能量,z,：位置水头,u/,w,：压力水头,V,2,/(2g),：,流速水头,0,总水头：,测管水头,2.2.1,土体的渗透定律,达西定律,2.2,土体的渗透性,1,、渗流中的总水头与水力坡降,A,B,L,h,1,h,2,z,A,z,B,h,0,0,基准面,水力坡降线,A,点总水头：,B,点总水头：,水力坡降：,水头差：,2.2.1,土体的渗透定律,达西定律,2.2,土体的渗透性,2,、渗透试验与达西定律,试验前提：层流,试验条件,:,h,1,，,A,，,L,已知,量测变量,:,h,2,，,V,，,T,试验结果,h,=h,1,-h,2,Q=V/T,2.2,土体的渗透性,2.2.1,土体的渗透定律,达西定律,达西定律：,v,：断面平均渗流速度（,mm/s,，,m/d,）,k,：土体渗透系数（,mm/s,，,cm/s,m/d,）,A,A,v,v,：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度,v,s,：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度,A,A,v,A,v,=,nA,2.2,土体的渗透性,2.2.1,土体的渗透定律,达西定律,工程上不区分这两个流速，直接用,v,2.2,土体的渗透性,2.2.1,土体的渗透定律,达西定律,3,、达西定律的适用范围,层流（线性流）,岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围,在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。,可用雷诺数,R,e,进行判断：,（,1,）粗粒土：,砾石类土中的渗流常不符合达西定律,砂土中渗透速度,v,cr,=0.3-0.5cm/s,v,v,cr,i,v,o,i,0,（,2,）粘性土：,致密的粘土,i,i,0,v,=,k,(,i,-,i,0,),2.2,土体的渗透性,3,、达西定律的适用范围,i,从左图看出，渗流流经砂,、砂,后总水头损失为,h=30cm,。设砂,、砂,各自的水头损失分别为,h,1,，,h,2,，则,h,1,+h,2,=30,根据,渗流连续原理,，流经两砂样的渗透速度应该相等，即,v,1,=v,2,=v,达西定律,v=,ki,，则,k,1,i,1,=k,2,i,2,k,1,h,1,/L,1,=k,2,h,2,/L,2,L,1,=L,2,=40cm,k,1,=0.2cm/s,k,2,=0.1cm/s,所以,2,h,1,=,h,2,，解出,h,1,=10cm,则测压管水面升至右端水面以上,10cm,2.2,土体的渗透性,2.2.2,渗透系数的测定和影响因素,室内试验测定方法,野外试验测定方法,常水头试验法,变水头试验法,井孔抽水试验,井孔注水试验,2.2,土体的渗透性,1,、常水头试验法,结果整理,试验条件,:,h,，,A,，,L,已知,量测变量,:,V,，,t,i=,h,/L,V=Qt=,v,At,v,=,ki,适用土类：透水性较大的砂性土,h,L,土样,A,V,Q,2.2,土体的渗透性,2,、变水头试验法,试验装置：如图,试验条件,:,a,、,A,、,L,已知,量测变量,:,h,1,、,h,2,、,t,土样,A,t=t,1,h,1,t=t,2,h,2,L,Q,水头,测管,开关,a,选择几组,h,1,h,2,t,，计算相应的,k,，取平均值,2.2,土体的渗透性,3,、抽水现场试验法,地下水位,测压管水面,井,抽水量,Q,r,1,r,r,2,dh,dr,h,1,h,h,2,不透水层,观察井,A=2,rh,i=dh/,dr,积分,优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数,缺点：费用较高，耗时较长,2.2,土体的渗透性,4,、影响渗透系数的因素,粒径大小及级配,孔隙比,矿物成分,结构,饱和度（含气量）,水的动力粘滞系数,粒径大小及级配：,是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。,孔隙比：,是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数,k,一般随孔隙比,e,增大而增大。,矿物成分：,对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石,伊里石,蒙脱石；,塑性指数,Ip,综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数。,结构,：,影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，常使得,k,水平,k,垂直,；在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。,2.2,土体的渗透性,饱和度的影响：,封闭气泡对,k,影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道，饱和度增大，,k,值上升,2.2,土体的渗透性,流体粘滞性的影响,温度高,粘滞性低,渗透系数大,土工试验规程,2.2,土体的渗透性,2.2.3,层状地基的等效渗透系数,等效渗透系数,确立各层的,k,m,考虑渗流方向,天然土层多呈层状,H,1,H,2,H,3,H,h,k,1,k,2,k,3,x,z,q,1x,q,3x,q,2x,L,1,1,2,2,不透水层,2.2.3,层状地基的等效渗透系数,1,、水平渗流,等效渗透系数为各层土渗透系数,按土层厚度的加权平均值,2.2.3,层状地基的等效渗透系数,2,、竖直渗流,H,1,H,2,H,3,H,h,k,1,k,2,k,3,x,z,v,承压水,不透水岩基上有水平分布的三层土，厚度都为,1m,，渗透系数分别为,k1=0.001m/d,，,k2=0.2m/d,，,k3=10m/d,，分别求等效土层的水平渗流与竖直渗流的等效渗透系数,水平渗流,k,x,：渗透系数大的土层起主导作用,竖直渗流,k,z,：渗透系数小的土层起主导作用,k,x,恒大于,k,z,，实际工程中，一定要注意渗流水流的流向,Laplace,方程,（基本方程）,连续性条件,达西定律,流线方程,假定,k,x,=,k,z,流线描述,水头描述,势函数的基本方程,流函数的基本方程,势函数,流函数,共轭调和，等值线正交,求解（流网）,边界条件,2.3,二维渗流与流网,2.3,二维渗流与流网,h,h,恒定,稳定渗流,h=,h(x,z,),v=,v(x,z,),对单宽,dy,=1,，取一微小单元,dx,dz,与时间无关,x,z,一,.,平面渗流的基本方程及求解,连续性条件,1.,基本方程,水头描述,一,.,平面渗流的基本方程及求解,2.3,二维渗流与流网,连续性条件,达西定律,Laplace,方程,描述渗流场内部的测管水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程式之一，代入边界条件可求解,各向同性土层,k,x,=,k,z,2.3,二维渗流与流网,2.3,二维渗流与流网,1.,基本方程,流线描述,x,z,+d,dq,同一条流线上，流函数的值为一常数，流线不能相交,两条流线流函数的差值等于其间通过的流量,v,x,v,z,dz,-,dx,(,x,z,),Laplace,方程,1,）势函数和流函数均满足拉普拉斯方程,2,）势函数等值线和流函数,等值线,正交,3,）当取,=,时，,流网网格为曲边正方形,4,）势函数和流函数为共轭调和函数，两者完备地描述了一渗流场,+,+,s,l,2.3,二维渗流与流网,边界条件,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,水头边界条件：,首尾等水头线,1,2,流速边界条件：,边界流线,3,其它边界条件：渗出面、,自由水面,1,1,2,2,2.3,二维渗流与流网,解析方法,试验比拟方法,（电比拟方法）,数值方法,图解法,流网,近似求解方法,适用于边界条件简单的情况,通解：两个共轭调和函数,势函数,(,x,z,),流函数,(,x,z,),等势线,流线,相互正交,边界条件,特定解,差分法、有限元方法，精度高，应用愈来愈广泛,利用渗流场和电场均服从,Laplace,方程这一特点，按一定比例制作模型，用电场中的等势线和流线来模拟渗流场中的等势线和流线，以达到确定渗流场中渗流要素的目的。,理论基础：,解析法的结果,2.3,二维渗流与流网,二,.,流网的绘制及应用,流 网,渗流场中的两族相互正交曲线,等势线和流线所形成的网络状曲线簇。,流 线,水质点运动的轨迹线。,等势线,测管水头相同的点之连线。,流网法,通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。,H,h,0,2.3,二维渗流与流网,1.,正交性：流线与等势线（等水头线）必须正交,H,h,0,l,s,l,s,2.,等间隔流线与等间隔等势线形成的流网中，各个网格的长宽比,c,应为常数。取,c=1,，,即为曲边正方形,3.,在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。,+d,+d,b,a,2.3,二维渗流与流网,A,B,C,D,l,s,H,h,0,0,l,s,流网绘制方法,一个高精度的流网图，需经过多次的修改后才能完成。,1,）根据渗流场的边界条件,确定边界流线和首尾等势线,3,）按正交性和曲边正方形的绘制等水头线，初步绘制流网,4,）流线等势线反复修改，调整,精度较高的流网图,2.3,二维渗流与流网,2,）按照边界趋势绘制流线,流网的应用,（,1,）水头,a,点的测管水头,h,a,、压力水头,h,u,、位置水头,z,a,？,（,2,）孔隙水压力,（,3,）水力坡降（网格的平均水力坡降）,流网中网格越密，,i,越大,E,点为逸出坡降,流网的应用,（,4,）渗透流速,方向为流线切线方向,（,5,）渗透流量,曲边正方形：,l=s,坝基长度为,B,时，总渗流量为：,-7,9.0m,-7,9.0m,地基单宽流量,q=,Mkh,=41510,-7,=2010,-7,m,2,/s,2.4,渗透力和渗透变形,2.4.1,渗透力和临界水力坡降,渗透力,j,：单位体积土体内土颗粒受到的渗流作用力,土、水整体受力分析,R+P,2,=W+P,1,P,2,W,P,1,R,2.4,渗透力和渗透变形,2.4.1,渗透力和临界水力坡降,土、水整体受力分析,土水总重量：,W,=,L,sat,L(,+,w,),土样两端边界水压力：,P,1,=,w,h,w,，,P,2,=,w,h,2,土样下部滤网的支承反力,R,R+P,2,=W+P,1,R+,w,h,2,=,L(,+,w,)+,w,h,w,h,2,0,0,h,w,L,土样,滤网,贮水器,a,b,A=1,R=,L,静水条件：,h,1,h,h,2,0,0,h,w,L,土样,滤网,贮水器,a,b,2.4,渗透力和渗透变形,渗流条件,W,=,L,sat,L(,+,w,),P,1,=,w,h,w,P,2,=,w,h,1,R+P,2,=W+P,1,R+,w,h,1,=,L(,+,w,)+,w,h,w,R=,L,w,h,R=,L,A=1,静水中的土体,R=,L,w,h,R=,L,渗流中的土体,向上渗流存在时，滤网支承力减少,减少的部分由谁承担？,水与土之间的作用力渗透力,总渗透力,J=,w,h,渗透力,j=J/L=,w,h/L=,w,i,j=,w,i,h,1,h,h,2,0,0,h,w,L,土样,滤网,贮水器,a,b,A=1,2.4,渗透力和渗透变形,2.4,渗透力和渗透变形,2.4.1,渗透力和临界水力坡降,物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力,j=,w,i,大小：,方向：与,i,方向一致（均质土与,渗流方向一致）,作用对象：土骨架,渗透力的性质,利用流网求渗透力,总渗透力,大 小：,j,网格面积,方 向：与,i,方向一致作用点：形心,流网较密处,i,较大，该处渗透力也大,不同位置的渗透力对土体稳定性的影响不同,h,h,0,l,s,l,s,2.4,渗透力和渗透变形,2.4,渗透力和渗透变形,临界水力坡降：土体发生流土破坏时的水力坡降,R=,L,w,h=0,R+P,2,=W+P,1,发生流土时，,R=0,2.4,渗透力和渗透变形,2.4.2,土的渗透变形,1,、类型,粘性土,k,1,k,2,砂性土,k,2,坝体,流土,在向上的渗流作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象,渗流,原因：,表现：土体表面隆起、裂缝开展、砂砾涌出、整块土体被抬起等,2.4,渗透力和渗透变形,管涌,内因,有足够多的粗颗粒形成大于细粒径的孔隙通道,外因,渗透力足够大,在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。,管涌,管涌破坏,流土与管涌的比较,流土,土体局部范围的颗粒同时发生移动,管涌,只发生在水流渗出的表层,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏过程短,导致下游坡面产生局部滑动等,现象,位置,土类,历时,后果,土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,2.4,渗透力和渗透变形,2.4,渗透力和渗透变形,2,、破坏可能性的判别,F,s,:,安全系数,1.5,2.0,i :,允许坡降,i,i,cr,:,土体处于稳定状态,土体发生流土破坏,土体处于临界状态,经验判断：,流土,：,较均匀土,（,Cu,10）,几何条件,级配,孔隙及细粒,判定,非管涌土,粗粒形成的孔隙通道小于细粒径,不均,匀土,（,Cu10,）,不连续,连续,D,0,=0.25d,20,细粒含量,35%,细粒含量,25%,细粒含量,=25-35%,D,0,d,5,D,0,=d,3,-d,5,管涌土,过渡型土,非管涌土,非管涌土,管涌土,过渡型土,P(%),lgd,骨架,充填料,P,5,3,d,5,d,3,2,、破坏可能性的判别,水力条件,一般发生在无粘性土中,几何条件,管涌,2.4,渗透力和渗透变形,管涌：,水力条件,重大工程由渗透破坏试验确定,5 10 15 20 25 30 35 40,2.0,1.5,1.0,0.5,0,i,cr,C,u,流土,过渡,管涌,C,u,20,时,i,cr,=0.25-0.30,i=0.10-0.15,苏联：,中国：,水力坡降,级配连续土,级配不连续土,破坏坡降,i,cr,0.20-0.40,0.1-0.3,允许坡降,i,0.15-0.25,0.1-0.2,增大,i,：下游增加透水盖重,防治流土,土石坝,防渗斜墙及铺盖,浸润线,透水层,不透水层,减小,i,：上游延长渗径；,下游减小水压,防治管涌,改善几何条件：设反滤层等,改善水力条件：减小渗透坡降,2.4,渗透力和渗透变形,3,、渗透变形的防治,